硬件组件与接线

概述

本节介绍工厂环境监测系统的硬件组件和接线方法。学习完成后，您将能够：

识别所需的所有硬件组件
掌握 ESP32 与各传感器的接线方法
理解 I2C 和 GPIO 通信接口的区别
验证硬件连接的正确性

前置要求

在开始本节之前，请确保：

已了解 ESP32 的 GPIO 引脚功能
已准备以下硬件组件
具备基础的电子电路知识
已安装 Arduino IDE 或 PlatformIO

Hardware Components

Required Components

组件	推荐型号	功能	数量
微控制器	ESP32 DevKit	核心控制单元	1
温湿度传感器	DHT22 (AM2302)	测量温湿度	1
光照传感器	BH1750	测量光照强度	1
面包板	830 孔	电路连接基板	1
杜邦线	公对母	模块到面包板连接	20 根
杜邦线	公对公	面包板内部连接	10 根
USB 线	Micro USB	供电和编程	1

Optional Components

组件	推荐型号	用途
继电器模块	5V 单路继电器	控制外部设备（风扇、空调）
散热风扇	5V 电脑风扇	演示降温控制
OLED 显示屏	128x64 I2C	本地数据显示

Component Selection Guide

DHT11 vs DHT22 vs BME280：

特性	DHT11	DHT22 (AM2302)	BME280
温度精度	±2°C	±0.5°C	±0.3°C
湿度精度	±5% RH	±2% RH	±1% RH
温度范围	0-50°C	-40-80°C	-40-85°C
采样频率	最大 1Hz	最大 2Hz	最大 10Hz
气压测量	不支持	不支持	支持
通信接口	单总线	单总线	I2C/SPI
单价	$1-2	$3-5	$4-6
适用场景	精度要求低的场景	一般监测场景	高精度多参数场景

售前提示：推荐时，DHT22 是性价比最佳的选择。只有在需要气压补偿（如精密制造车间）或更高精度时才推荐 BME280。

BH1750 光照传感器特点：

I2C 接口，接线简单
测量范围：1-65535 lux
分辨率：高分辨率模式 1 lux
内置 ADC，直接输出数字值
可选地址：0x23（ADDR 接低）或 0x5C（ADDR 接高）

Wiring Diagram

Pin Connections

ESP32 DevKit          DHT22           BH1750          Breadboard
┌──────────┐        ┌────────┐      ┌────────┐
│    3.3V  ├────────┤ VCC    │      │ VCC    │        ┌─────────┐
│          │        │        │      │        │        │ 红线 3.3V │
│    GND   ├────────┤ GND    │      │ GND    │        ├─────────┤
│          │        │        │      │        │        │ 黑线 GND  │
│   GPIO 4 ├────────┤ DATA   │      │        │        ├─────────┤
│          │        │        │      │        │        │ DHT22 数据│
│   GPIO 21├────────┼────────┼──────┤ SDA    │        ├─────────┤
│          │        │        │      │        │        │ I2C 数据  │
│   GPIO 22├────────┼────────┼──────┤ SCL    │        ├─────────┤
│          │        │        │      │        │        │ I2C 时钟  │
│   GPIO 18├────────┤ (可选连接继电器控制风扇)   │        ├─────────┤
└──────────┘        └────────┘      └────────┘        └─────────┘

Connection Summary Table

ESP32 Pin	连接目标	说明
3.3V	DHT22 VCC, BH1750 VCC	供电（注意总电流不超过 500mA）
GND	DHT22 GND, BH1750 GND	共用接地
GPIO 4	DHT22 DATA	DHT 单总线数据引脚
GPIO 21	BH1750 SDA	I2C 数据线
GPIO 22	BH1750 SCL	I2C 时钟线
GPIO 18	继电器控制端 (可选)	风扇/空调控制

I2C Pull-Up Resistors

BH1750 模块通常已内置 4.7kΩ 上拉电阻。如果使用裸芯片而不是模块，需要在 SDA 和 SCL 线上各添加一个 4.7kΩ 上拉电阻连接到 3.3V。

DHT22 Pull-Up Resistor

DHT22 数据引脚需要一个 4.7kΩ-10kΩ 上拉电阻连接到 3.3V。大多数 DHT22 模块已内置此电阻，如果购买的是裸传感器，需要额外添加。

Wiring Steps

Step 1: 面包板供电线路

1. 将 ESP32 插入面包板一侧
2. 用红线将 ESP32 的 3.3V 引脚连接到面包板的红色电源轨
3. 用黑线将 ESP32 的 GND 引脚连接到面包板的蓝色接地轨
4. 确认电源轨和接地轨在整个面包板上连通

Step 2: 连接 DHT22

1. 将 DHT22 模块插入面包板
2. 从电源轨 (3.3V) 连接红线到 DHT22 VCC 引脚
3. 从接地轨 (GND) 连接黑线到 DHT22 GND 引脚
4. 从 GPIO 4 (ESP32) 连接杜邦线到 DHT22 DATA 引脚

Step 3: 连接 BH1750

1. 将 BH1750 模块插入面包板
2. 从电源轨 (3.3V) 连接红线到 BH1750 VCC 引脚
3. 从接地轨 (GND) 连接黑线到 BH1750 GND 引脚
4. 从 GPIO 21 (ESP32) 连接杜邦线到 BH1750 SDA 引脚
5. 从 GPIO 22 (ESP32) 连接杜邦线到 BH1750 SCL 引脚

验证

验证硬件连接

// 在 Arduino IDE 中上传此测试代码验证连接
#include <Wire.h>
#include <DHT.h>

#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT22

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();
  dht.begin();
  Serial.println("Sensor Test Started");
}

void loop() {
  // 测试 DHT22
  float h = dht.readHumidity();
  float t = dht.readTemperature();

  // 测试 BH1750 (通过 I2C 扫描)
  Wire.beginTransmission(0x23);
  byte error = Wire.endTransmission();

  Serial.print("Temperature: ");
  Serial.print(t);
  Serial.print("°C, Humidity: ");
  Serial.print(h);
  Serial.print("%, BH1750 Address: ");

  if (error == 0) {
    Serial.println("0x23 - OK");
  } else {
    Serial.println("0x23 - NOT FOUND");
  }

  delay(3000);
}

预期输出（打开串口监视器，波特率 115200）：

Sensor Test Started
Temperature: 26.5°C, Humidity: 62.3%, BH1750 Address: 0x23 - OK
Temperature: 26.6°C, Humidity: 62.1%, BH1750 Address: 0x23 - OK

故障排除

Issue 1: 传感器读取为 NaN

症状：DHT 传感器返回 nan 或 -999

可能原因：

接线错误或接触不良
DHT22 上拉电阻缺失
采样间隔太短（DHT22 至少间隔 2 秒）

解决方案：

检查所有连线是否牢固插入面包板
确认 DHT22 的 DATA 引脚有 4.7kΩ 上拉电阻
确保读取间隔 ≥ 2 秒

Issue 2: I2C 设备未找到

症状：BH1750 在 I2C 扫描中未显示

可能原因：

I2C 地址错误（默认 0x23，ADDR 接高时 0x5C）
SDA/SCL 引脚接反
模块供电不足

解决方案：

使用 I2C 扫描代码检测设备地址
检查 SDA 接 GPIO 21、SCL 接 GPIO 22
确保模块供电电压为 3.3V

Issue 3: ESP32 持续重启

症状：ESP32 反复重启，串口输出乱码

可能原因：

供电不足（USB 线质量差）
传感器短路
GPIO 电平冲突

解决方案：

更换 USB 数据线（确保支持数据传输）
断开所有传感器连线，逐个排查
使用外部 5V 电源供电

最佳实践

✅ 推荐: 使用带屏蔽的杜邦线减少信号干扰
✅ 推荐: DHT22 和 ESP32 之间的连线控制在 20cm 以内
✅ 推荐: 传感器模块先在桌面测试，再安装到最终位置
❌ 避免: 传感器与电机、继电器等高干扰设备共用电源
❌ 避免: 在通电状态下插拔传感器模块
❌ 避免: GPIO 输入电压超过 3.3V（否则可能损坏 ESP32）

Summary

本节要点总结：

核心硬件：ESP32 + DHT22（温湿度）+ BH1750（光照）
接线要点：DHT22 使用 GPIO 单总线，BH1750 使用 I2C 接口
供电要求：所有传感器使用 3.3V，总电流不超过 500mA
验证方法：通过串口测试代码验证每个传感器的连接